一只機械手從機器人手臂上脫落,自己爬到桌子對面抓起一塊積木,再爬回來重新裝上手臂。這是武漢大學高霄和合作者最近發在《自然·通訊》上的一項真實成果。
他們設計了一種可拆卸的爬行機械手,既能像普通機械手一樣抓取物體,又能從手臂上脫落,進而變成一只五條腿或六條腿的爬行機器人,自己去夠那些原本夠不到的東西。
它能夠完成人類手部 33 種標準抓取模式中的全部,可以穩穩地抓起重達 2 公斤的物體。在一組多物體抓取實驗中,它一次性同時抓起了四個物體,這在傳統機械手中非常罕見。它還能實現非擬人形抓取,使用任意兩根手指組合完成精細的指尖捏合,甚至能夠使用六根手指的版本完成單手擰瓶蓋的動作。
它還完成了完整的取物任務。只見機械手從手臂上脫落,然后自己爬行到目標位置,使用兩根手指抓起一個黃色積木,把它背在身上繼續爬行。它又抓起第二個藍色積木,穩穩地疊在第一個上面,然后帶著兩個積木爬回手臂位置并重新對接。整個過程非常絲滑,展示了包含抓取、爬行、攜帶和對接等在內的全套能力。
![]()
(來源:https://doi.org/10.1038/s41467-025-67675-8)
高霄告訴 DeepTech:“目前的版本還有線纜連接,未來我們想做無線版本,并希望能夠集成更多傳感器。
當前,我正在指導一名博士生,準備把這個課題繼續做下去,也在寫相關的人才項目申請書。眼下只是一個原理驗證原型,要想真正用于實際場景,還需要大幅改進結構可靠性,以及要考慮安全性和增加傳感器等。”
![]()
圖 | 高霄(來源:受訪者)
人類的手常被視為靈巧的極致,不過它存在不對稱這樣一個天然缺陷。大拇指和其他手指配合能夠完成很多精細操作,但這種不對稱也讓某些任務變得困難,比如單手擰瓶蓋或者單手使用螺絲刀,這些操作需要對稱的受力點,人類使用一只手很難做到。
由于人類手掌被固定在手臂末端,因此哪怕有肩膀和肘關節幫忙,也總是會有一些無法觸及的區域比如掉到桌子底下的筆,或者塞在書柜深處的零件等。
本次研究團隊從自然界尋找到了靈感。他們發現章魚的腕足不僅可以爬行還可以抓握,螳螂蝦的捕食肢同時也是它的行走足。基于此,研究團隊設計了一款完全對稱的機械手,每根手指的結構相同,每根手指也都能夠雙向彎曲,但其活動范圍是人類手指的兩倍以上。
這個設計的巧妙之處在于,任何兩根手指都可以組成一對功性能的對生指,相當于這只手有好幾個大拇指。同時,手掌里藏著一個電動螺絲結構,當手臂帶著它移動到桌面邊緣的時候,螺絲就會松開,手就可以脫落在桌面上,手指就能夠變成腿開始爬行。
![]()
(來源:https://doi.org/10.1038/s41467-025-67675-8)
為了找到最佳的設計方案,研究團隊使用遺傳算法做了大量仿真優化。他們測試了從三根到八根手指的不同配置,評估了每種配置在抓取物體和爬行移動兩個任務上的綜合表現。
結果發現,四到五根手指是最佳選擇,多了不僅會增加重量,還容易自己碰到自己。研究團隊還使用算法優化了爬行步態的參數,比如優化了每條腿擺動的幅度、頻率和相位差,讓這只手能夠在桌面上穩穩當當地向前走。
![]()
(來源:https://doi.org/10.1038/s41467-025-67675-8)
對稱設計所帶來的額外好處是:翻車了也能自己站起來。傳統機器人如果四腳朝天往往就動彈不得,這只手的手指卻可以雙向彎曲,不管哪一面朝上,都能找到支撐點重新站立。研究團隊對比了對稱構型和非對稱構型的爬行表現,結果顯示相比不對稱設計,對稱設計在爬行距離上提升了 5% 到 10%。
未來,在工廠倉庫里機器人可以自己爬進狹窄的貨架縫隙里抓取零件,無需專門配置復雜的移動平臺。在災難救援中,這種機械手能夠深入廢墟的狹小空間,去抓取物品或者操作閥門。在家庭服務場景里,它能夠從沙發底下拿出人類難以拿出來的掉落的遙控器。
![]()
(來源:https://doi.org/10.1038/s41467-025-67675-8)
這只機械手的誕生也引發了這樣一個問題,那就是為何人類的手進化成了現在這個樣子?人類的手有五根手指和一個不對稱的大拇指,也許這只是造物設計里的局部最優解。但是,機械手無需遵循生物演化路徑,設計師可以自由探索那些在自然界從未嘗試過的形態,也許未來的機器人形態將會變得和現在的很不一樣。
參考資料:
相關論文 https://doi.org/10.1038/s41467-025-67675-8
運營/排版:何晨龍
特別聲明:以上內容(如有圖片或視頻亦包括在內)為自媒體平臺“網易號”用戶上傳并發布,本平臺僅提供信息存儲服務。
Notice: The content above (including the pictures and videos if any) is uploaded and posted by a user of NetEase Hao, which is a social media platform and only provides information storage services.